一、磁共振成像
（一）功能磁共振成像
功能磁共振成像（Functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）基于血氧依赖信号（Blood-oxygenation-level Dependent，BOLD）的分析来确定脑内不同区域间的功能连接模式。该方法假设在同一时间上，不同空间位置的脑区将自发呈现同步的BOLD信号波动模式，那么，这些具有共同波动模式的脑区就存在功能连接（Raichle et al.，2001）。功能磁共振成像方法为脑科学与神经认知科学的深入研究，提供了技术支持。它由Ogawa等人于20世纪90年代提出，利用脑活动区氧合血红蛋白与磁共振信号关系获得脑的功能磁共振图像。其具体原理是：大脑在进行认知活动时，其不同功能脑区因激活程度不同，流经该区域的血流量不同。激活程度高的脑区血流量大，因而引起该区域的氧交换增强，导致血氧代谢增强，血红蛋白的氧合状态发生改变。脱氧血红蛋白具有顺磁性，而氧合血红蛋白则具有抗磁性。激活程度高的脑区，其脱氧血红蛋白下降，顺磁性物质增多，导致组织的血管内外磁场不均，发生磁信号强度的下降。功能磁共振图像就是通过测量神经活动引起的血管、血流代谢等次级生理反应来综合绘制的大脑图谱。
在实际研究中，根据大脑活动情况的成像，功能磁共振成像又可分为任务态功能磁共振成像和静息态功能磁共振成像。如前所述，大脑在进行认知活动时，因激活程度不同可引起局部脑区血流量的改变，进而产生不同强度的BOLD信号，形成认知任务时的脑功能实时图谱，这就是任务态功能磁共振成像的产生过程。而静息态则是与任务态相对的一种功能磁共振成像，其成像原理相同，区别在于大脑所处的状态。静息态是指大脑处于无外界刺激，不涉及任何任务的静默休息状态。大脑“静息态”时，仍然存在大量神经元活动，并引起血流的增加及持续的血液循环和氧消耗。研究者将这种大脑的神经律动称为“暗能量”。在静息状态，大脑的特定区域及特定网络呈现出稳定固有的神经律动，并具有时间与空间组织模式。静息态功能连接（Resting Functional Connectivity，rs-FC）是通过分析在空间上位于不同位置的区域自发呈现的血氧依赖信号波动模式，从而确定在同一时间具有共同波动模式的两个脑区存在功能上的连接（Raichle et al.，2001）。该方法被广泛用于脑内特定网络的研究，如中央执行网络、默认网络、注意网络等；同时，该方法也用于具有特定功能的脑区回路研究，如“皮层—基底节”回路、脑岛回路等。相关研究表明，静息态功能连接网络存在一定的稳定性，在休息、睡眠甚至麻醉状态时，脑内功能连接网络均存在类似的组织模式。
在脑的可塑性相关研究中，使用功能磁共振成像方法，可以研究脑在学习和发育过程中的功能连接图谱以及局部功能图谱。同时，因为脑功能的改变对外界刺激非常敏感，因此，脑功能成像在脑的可塑性研究中被广泛应用，也是脑可塑性研究的主流方法之一。舞蹈家在进行动作观察时的任务态脑功能成像，如图2-6所示。
图2-6 舞蹈家在进行动作观察时的任务态脑功能成像（引自：Burzynska等人的研究，2017）
（二）结构磁共振成像
结构磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）的主要原理是：根据人体不同组织所含水分子和碳水化合物中氢原子数目的不同，通过外部施加梯度磁场来检测这些氢原子的分布，从而构造大脑结构图像。其具体原理是：人体组织中的氢原子在磁场与射频脉冲中发生震动产生射频信号。人体内含有广泛分布的水分子，这些水分子中含有单数质子的氢原子核。在均匀的强磁场中，氢原子的自旋轴将按照磁场磁力线的方向重新排列。此时，用特定频率的射频脉冲进行激发，氢原子核在接受一定能量后即发生共振，这就是磁共振现象。当射频脉冲停止发射后，氢原子核将之前吸收的能量逐步释放，恢复到之前的状态，该过程被称为弛豫过程。氢原子在弛豫过程中所需的时间称为弛豫时间。弛豫时间又分为纵向弛豫时间（简称T1）和横向弛豫时间（简称T2）。其中，T1反映的是自旋核把所吸收的能量传递给周围所需的时间，即射频脉冲质子从纵向磁化转化到横向磁化之后再恢复到纵向磁化激发前的状态所需的时间。而T2反映的是横向磁化衰减的时间，是由质子之间相互磁化作用所引起的。人体不同器官的T1与T2的值是相对的，这种组织间弛豫时间的相对差别就是磁共振成像的基础。在脑科学研究中，通过对T1或T2图像进行分割，可以得到大脑的灰质、白质和脑脊液分布，进一步可以获得大脑灰质密度、体积、表面积及皮层厚度等大脑形态学的信息。
在脑的可塑性研究中，结构的改变更具有稳定性。但是，结构的改变又因训练强度、持续时间的不同，其变化程度也有所不同。以往对结构的研究，特别是对细微脑结构的研究并没有太多的有效手段，大多以个别临床病例或是尸体解剖而获得，所搜集的信息和研究对象也具有很大的局限性，对健康活体内更为真实细微的结构缺乏真正的认识。而结构磁共振成像的出现，可以有效解决以上问题。由于其具有无创、无电离辐射的优势，因此，在实际研究中被广泛应用。阿尔兹海默症病人壳核、丘脑等部位灰质结构成像图，如图2-7所示。
图2-7 阿尔兹海默症病人壳核、丘脑等部位灰质结构磁共振成像图
（引自：Jong等人的研究，2008）
（三）弥散磁共振成像
弥散磁共振成像主要利用水分子在人体不同组织内的不同弥散特征来进行成像。水分子的弥散是指其发生的随机不规则运动，即布朗运动。水分子的弥散受温度、分子重量及其黏滞性等因素的影响。在均匀介质中，人体各组织中均存在水分子。但是，不同组织间其内部结构、水分子含量等均不相同。因此，水分子的弥散出现不同的特征。在理想的均匀介质中，水分子向各个方向的运动概率是相同的，因此，被称为各向同性弥散。而在人体组织中，水分子受组织排布、组织含水量等因素影响，其弥散方式呈现显著的方向性，即水分子的弥散具有一定方向排布，倾向于按组织排列的方向弥散，被称为各向异性。因此，通过计算和分析水分子弥散特征可以形成人体组织相关图谱。在人体组织中，大脑白质纤维中水分子往往按照白质纤维的走向运动，表现出非常明显的各向异性。
目前，弥散磁共振成像在脑的可塑性研究中具有重要意义，尤其是脑网络的磁共振研究。这些研究往往是把脑功能连接与结构连接进行融合分析，从功能和结构整合上去刻画全脑连接模式。弥散磁共振成像在追踪单个纤维束走向和结构时具有明显优势，尽管在纤维束接触（kiss）或是交叉（cross）的地方还存在分析困难，但该方法仍然是目前分析脑白质纤维走向的非常可靠的方法，能够对活体大脑的白质结构进行清晰成像，如脑内白质纤维（胼胝体）追踪成像图，如图2-8所示。
图2-8 脑内白质纤维（胼胝体）追踪成像图（引自：Sabine and Jens的研究，2006）